生物天然氣產(chǎn)業(yè)叫好又叫座

■本刊記者 劉光林/ 編輯 王睿佳

當(dāng)鄉(xiāng)村不再有牲畜糞便帶來的惱人氣味，不再有焚燒秸稈造成的滾滾濃煙……綠水青山環(huán)繞下的鄉(xiāng)野阡陌何嘗不是一幅幅人間美景。

發(fā)展生物天然氣產(chǎn)業(yè)，既能解決農(nóng)業(yè)發(fā)展用能問題，又可化解農(nóng)村環(huán)境保護(hù)問題，已成為推動農(nóng)村能源革命、助力鄉(xiāng)村振興的重要發(fā)力點(diǎn)和關(guān)鍵突破口。

生物質(zhì)能開發(fā)叫好不叫座

生物質(zhì)能源是自然界中有生命的動植物所提供的能量，當(dāng)然，追根溯源的話，生物質(zhì)能與其他類型能源一樣，均來自太陽的能量。有人說，生物質(zhì)能源是最具鄉(xiāng)村特色的能源。

“雖說統(tǒng)計(jì)口徑不同，我國生物質(zhì)資源接近10億噸標(biāo)準(zhǔn)煤這一判斷是被廣泛接受的?！敝旌楣猓虾Ａ趾ｋp碳生態(tài)研究院院長、同濟(jì)大學(xué)生物質(zhì)能源研究中心主任，在生物質(zhì)能研發(fā)領(lǐng)域已經(jīng)深耕20 多年。他在2023 碳中和·零碳中國峰會上向大家介紹，在已知的可再生能源類型中，生物質(zhì)能源是唯一可以被存儲的，同時生物質(zhì)材料來源比較穩(wěn)定，而且具備可再生的優(yōu)點(diǎn)，所以說開發(fā)生物質(zhì)能這一領(lǐng)域在新能源界被廣泛看好。

2022 年，我國能源消費(fèi)總量為54.1 億噸標(biāo)準(zhǔn)煤?？梢姡绻麑?0 億噸標(biāo)準(zhǔn)煤的生物質(zhì)能源開發(fā)好、利用好，對于提升我國能源安全保障能力、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、助力實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)一定是大有裨益的。

然而，受多重因素制約，生物質(zhì)能發(fā)展叫好但不叫座。

在國家能源局2023 年二季度新聞發(fā)布會上，國家能源局新能源和可再生能源司副司長王大鵬介紹，截至2023年一季度末，全國可再生能源發(fā)電裝機(jī)容量為12.58 億千瓦，其中生物質(zhì)能源發(fā)電裝機(jī)容量為4195萬千瓦，占比僅為3%。

朱洪光認(rèn)為，制約生物質(zhì)能源開發(fā)的因素大致包括四個方面。

第一個方面是，生物質(zhì)能源的能量密度比較小，熱值比較低，轉(zhuǎn)化規(guī)模難以提升。以農(nóng)田秸稈為例，其能量體積比與煤炭的能量體積比相比僅為1/20。如果建同樣裝機(jī)容量的火電廠，秸稈電廠的占地面積一定遠(yuǎn)大于燃煤電廠，秸稈電廠要求的儲存和加工空間更大。

第二個方面是，生物質(zhì)能源的原料來源和成分比較復(fù)雜，開發(fā)路徑繁多，難成規(guī)模。以生物質(zhì)為原料或燃料，可以發(fā)電、生產(chǎn)乙醇和沼氣，也可以做成型燃料，其中大部分技術(shù)路徑難以同時消納不同種類的生物質(zhì)原料，對于規(guī)?；_發(fā)生物質(zhì)能源存在障礙。

第三個方面是，處理生物質(zhì)原料所含的高氮、高磷成分的經(jīng)濟(jì)性問題。生物質(zhì)中富含的氮、磷等元素，是農(nóng)作物所需肥料的主要成分，但其中所含比例與化肥相比太低，與環(huán)境承載能力相比又太高，因此在生物質(zhì)能開發(fā)過程中對氮和磷的處理是一筆不劃算的經(jīng)濟(jì)賬。

第四個方面是，生物質(zhì)原料的供應(yīng)主體高度分散，來源包括農(nóng)業(yè)、工業(yè)、市政等各個領(lǐng)域，特別是農(nóng)業(yè)生物質(zhì)原料更是來自千家萬戶，導(dǎo)致收購和運(yùn)輸成本十分高昂，同樣拉高了生物質(zhì)能源的開發(fā)成本。

“上述因素疊加在一起，導(dǎo)致生物質(zhì)能源的發(fā)展現(xiàn)狀與其自身蘊(yùn)藏的潛力極其不匹配?！敝旌楣饪偨Y(jié)道。

發(fā)展生物質(zhì)能源的不二選擇

生物質(zhì)開發(fā)利用形式多種多樣，如發(fā)電、供暖，以及制造生物天然氣和液體燃料等。

“生物天然氣作為生物質(zhì)能發(fā)展的重要方向，有一個非常內(nèi)在的邏輯，可以突破前面提到的幾個瓶頸制約?！敝旌楣獗硎?。

生物天然氣是以農(nóng)作物秸稈、禽畜糞污、餐廚垃圾、農(nóng)副產(chǎn)品加工廢水等各類城鄉(xiāng)有機(jī)廢棄物為原料，通過厭氧發(fā)酵生成沼氣并經(jīng)過凈化提純產(chǎn)生的綠色低碳清潔可再生的天然氣。

“不像發(fā)電和制造生物乙醇那樣對生物質(zhì)燃料和原料品質(zhì)有很高要求。”朱洪光介紹，“生產(chǎn)生物天然氣的核心技術(shù)是厭氧發(fā)酵技術(shù)，只需要這一種技術(shù)就可以處理所有的有機(jī)廢棄物，而不必為處理不同種類的生物質(zhì)原料去建設(shè)多種處理設(shè)施。”

“厭氧發(fā)酵技術(shù)的另一個優(yōu)點(diǎn)是，全過程都處在一個密閉空間內(nèi)，避免了轉(zhuǎn)換過程中的原料和能量損耗，并且對環(huán)境也十分友好?！敝旌楣饨又榻B，此外，生物天然氣生產(chǎn)設(shè)施的體量還比較靈活，可大可小，能夠在村鎮(zhèn)范圍內(nèi)建設(shè)，這樣就可以突破能量密度的問題?！巴瑫r，生物天然氣產(chǎn)業(yè)還是一種潛在的負(fù)碳產(chǎn)業(yè)，它順應(yīng)能源轉(zhuǎn)型方向，通過替代化石能源、處理農(nóng)林廢棄物、打造循環(huán)農(nóng)業(yè)等來實(shí)現(xiàn)減碳降碳?！?/p>

“以餐廚垃圾為例進(jìn)行比較，分別對其采取直接填埋、堆肥、制作沼氣以及其他方式進(jìn)行處理，結(jié)果顯示，碳足跡最小的是采用厭氧發(fā)酵技術(shù)制作沼氣的處理方式?！蓖瑯釉?023 碳中和·零碳中國峰會上，瑞典環(huán)境科學(xué)研究院中國代表處高級項(xiàng)目經(jīng)理王瑞，通過一張圖表向大家說明了生物天然氣技術(shù)的減碳效益。

“多種優(yōu)勢的存在，讓發(fā)展生物天然氣成為生物質(zhì)能利用的不二選擇?！敝旌楣饨o出自己的判斷。

在國外，生物天然氣已經(jīng)得到十分充分的開發(fā)利用。比如瑞典，一個僅有千萬人口的小國，卻坐擁281 座生物天然氣工廠。王瑞介紹，瑞典生產(chǎn)生物天然氣的原料與我國有所不同，他們早期開發(fā)生物天然氣只是為了處理污水處理廠的污泥，后續(xù)才不斷把養(yǎng)殖場的禽畜糞污以及餐廚垃圾也納入進(jìn)來?！罢麄€歐盟也非常重視生物天然氣的發(fā)展，他們規(guī)劃到2030 年把產(chǎn)量提升到350億立方米。”

生物天然氣已有產(chǎn)業(yè)化探索

對于生物天然氣開發(fā)，我國早有規(guī)劃。

2019 年印發(fā)的《關(guān)于促進(jìn)生物天然氣產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的指導(dǎo)意見》提出，到2025年生物天然氣年產(chǎn)量超過100 億立方米，到2030 年生物天然氣年產(chǎn)量超過200億立方米。

《“十四五”現(xiàn)代能源體系規(guī)劃》和《“十四五”可再生能源發(fā)展規(guī)劃》均明確，在糧食主產(chǎn)區(qū)和畜禽養(yǎng)殖集中區(qū)統(tǒng)籌規(guī)劃建設(shè)生物天然氣工程，統(tǒng)籌規(guī)劃建設(shè)千萬立方米級生物天然氣工程。《“十四五”可再生能源發(fā)展規(guī)劃》還明確提出，在河北、山東、河南、安徽、內(nèi)蒙古、吉林、新疆等有機(jī)廢棄物豐富、禽畜糞污處理緊迫、用氣需求量大的區(qū)域，開展生物天然氣示范縣建設(shè)，每縣推進(jìn)1—3 個年產(chǎn)千萬立方米級的生物天然氣工程。

地處安徽省西北部的阜南縣，是一個農(nóng)牧大縣，每年產(chǎn)生約140萬噸農(nóng)作物秸稈、200萬噸禽畜糞污，日產(chǎn)生活垃圾20噸，顯然符合開展生物天然氣示范縣建設(shè)的全部條件。由朱洪光團(tuán)隊(duì)提供技術(shù)支持的林海生物天然氣工程項(xiàng)目便坐落于此。

“實(shí)際上，技術(shù)的進(jìn)步已經(jīng)讓生物天然氣產(chǎn)業(yè)化發(fā)展成為現(xiàn)實(shí)了?！敝旌楣庵钢聊簧系膶?shí)景圖片介紹，“不同于農(nóng)村早期分散建設(shè)的小沼氣池，這是我們在安徽阜南建設(shè)的生物天然氣工程，是標(biāo)準(zhǔn)化的生物化工工廠?！?/p>

該項(xiàng)目以國內(nèi)首創(chuàng)全縣域站田式全量化先進(jìn)處理方式為支撐，按照“8+1 站田式”模式，在阜南全縣布局8 個生物天然氣生產(chǎn)站和1 個中心站，并鋪設(shè)接近300千米的主干管網(wǎng)。中心站統(tǒng)籌調(diào)度8個生產(chǎn)站點(diǎn)生產(chǎn)的生物天然氣，實(shí)現(xiàn)縣城及全縣城鄉(xiāng)的燃?xì)夤?yīng)全覆蓋。

“養(yǎng)出來的新能源，種出來的天然氣?！边@句話道出了社會各界對阜南縣生物天然氣工程項(xiàng)目發(fā)展成效的認(rèn)可。如今，安徽省阜陽市已經(jīng)完成《阜陽市生物天然氣產(chǎn)業(yè)中長期發(fā)展規(guī)劃（2021～2030 年）》初稿的編制，并征求了全市各縣市區(qū)政府和市直有關(guān)單位的意見，以在全市推廣“阜南模式”，發(fā)展生物天然氣產(chǎn)業(yè)，有力推進(jìn)農(nóng)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展。

“工程總投資15 億元，分兩期建設(shè)，可以解決20 萬噸秸稈、177 萬頭豬的糞污處理當(dāng)量，年生產(chǎn)20 萬噸農(nóng)作物肥料、5000 萬立方米天然氣?！敝旌楣庥迷O(shè)問方式繼續(xù)介紹，5000 萬立方米是什么概念？這只是一個縣的年產(chǎn)量，全國有2800 多個縣級行政區(qū)，也就是說每年應(yīng)該有大約1400 億立方米的生物天然氣替代潛力，而當(dāng)前我國天然氣年消費(fèi)量是3600 多億立方米。“這是一個非常大的比例，對國家能源需求是一個很大的支撐?！?/p>

王瑞供職的瑞典環(huán)境科學(xué)研究院是一家研究和咨詢機(jī)構(gòu)，其業(yè)務(wù)之一就是為生物質(zhì)項(xiàng)目做開發(fā)潛力分析。今年，瑞典環(huán)境科學(xué)研究院將一套移動式中試設(shè)備引入我國，目前已經(jīng)投入使用。該設(shè)備的主要功能是給有機(jī)廢棄物全規(guī)模利用項(xiàng)目做前期工作，包括開發(fā)潛力分析、反應(yīng)條件測試，以及對比不同原料的生產(chǎn)效果等，可以為相關(guān)方后續(xù)大規(guī)模投入做更精細(xì)化設(shè)計(jì)與支撐。

生物天然氣叫好又叫座

如今的生物天然氣技術(shù)，已經(jīng)不再是傳統(tǒng)制作沼氣的概念了。朱洪光用“從小舢板到航母”來比喻傳統(tǒng)沼氣項(xiàng)目到現(xiàn)在的生物天然氣工程項(xiàng)目的嬗變。

朱洪光介紹，從生產(chǎn)沼氣到開發(fā)生物天然氣，已經(jīng)不是一個簡單的厭氧發(fā)酵技術(shù)在支撐了。阜南項(xiàng)目采用多維可控生物天然氣創(chuàng)新技術(shù)，運(yùn)用站田式布局規(guī)劃，其中包括多元有機(jī)廢棄物協(xié)同發(fā)酵技術(shù)、產(chǎn)業(yè)能效優(yōu)化的工程熱物理技術(shù)、全過程控制與數(shù)字化技術(shù)、沼氣燃?xì)馓荻乳_發(fā)利用等，最終成功破解了傳統(tǒng)沼氣項(xiàng)目原料來源單一、供應(yīng)不穩(wěn)，以及產(chǎn)量隨季節(jié)波動、管理因人而異等不可控因素造成的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展難題。

“在瑞典，有超過一半的沼氣被提純?yōu)樯锾烊粴夂笞鳛檐囉萌剂?。”王瑞介紹，這個國家的大部分公交車所使用的燃料都是生物天然氣。另外，他們還將沼氣液化后作為重卡的燃料，“加氣一次，可以跑1600公里”。

此外，生物天然氣項(xiàng)目已經(jīng)不僅僅是一項(xiàng)新能源項(xiàng)目，它同時還能產(chǎn)出一部分新型材料。過去實(shí)施沼氣開發(fā)，最令人頭疼的就是沼液的處理，如今的技術(shù)條件下，沼液已經(jīng)變身為一種新型材料來源，可以從中梯級提取甲烷、小分子碳肥、納米碳酸鈣、石墨烯導(dǎo)電材料?！八裕锾烊粴饧夹g(shù)已經(jīng)跳出傳統(tǒng)沼氣工程的理念。”朱洪光進(jìn)一步介紹，生物天然氣項(xiàng)目的綜合效益包括環(huán)保服務(wù)、政府采購、燃?xì)饧岸趸脊?yīng)、有機(jī)肥銷售、碳基新材料生產(chǎn)、“綠電”生產(chǎn)與儲能、綠氫生產(chǎn)和碳交易等方面，能夠?qū)崿F(xiàn)以開發(fā)新能源為中心的循環(huán)經(jīng)濟(jì)和綠色經(jīng)濟(jì)共同發(fā)展的效果。

另外，朱洪光還介紹了阜南生物天然氣工程項(xiàng)目在其他方面的經(jīng)濟(jì)和社會效益。他表示，該項(xiàng)目生產(chǎn)的天然氣不僅能夠滿足本縣的消費(fèi)需求，剩余部分還可以供應(yīng)其他三線城市使用?？v觀該項(xiàng)目，它以20%的資金撬動了其他金融資本的踴躍參與，同時增加直接就業(yè)300多人，并間接帶動上千人實(shí)現(xiàn)就業(yè)，也推動了當(dāng)?shù)胤N植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展。據(jù)測算，這一項(xiàng)目還可以實(shí)現(xiàn)每年70萬—80萬噸二氧化碳的減排量。

此外，朱洪光還透露，隨著新型能源體系的深入推進(jìn)，生物天然氣產(chǎn)業(yè)開發(fā)又有了新的發(fā)展方向。通過生物天然氣生產(chǎn)設(shè)施可以將氫氣和二氧化碳進(jìn)行反應(yīng)并轉(zhuǎn)化為生物天然氣，這樣就可以依托天然氣管網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離輸送，能夠有效推進(jìn)氫能輸、儲、運(yùn)等難題的解決。他表示，未來還可以通過生物天然氣管網(wǎng)在縣域內(nèi)實(shí)現(xiàn)氣電雙調(diào)峰功能，以提升整個能源系統(tǒng)的靈活性，助力新能源開發(fā)和“雙碳”目標(biāo)順利實(shí)現(xiàn)?！?/p>